高溫蒸汽管道支管焊縫應(yīng)力與模態(tài)特性研究

劉福廣，楊二娟，李 勇，米紫昊，王艷松，韓天鵬，董 會(huì)，張 磊，董 鵬

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安市高性能油氣田材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司伊敏電廠，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021130；4.國(guó)家能源集團(tuán)焦作電廠有限公司，河南 焦作 454351）

高溫蒸汽管道作為連接鍋爐和汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件，因需要布置在爐外溫度及壓力較高位置，其安全性是影響整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行的重要因素[1-4]。近年來(lái)，火力發(fā)電機(jī)組高壓蒸汽管道（母管）上的各類儀表、疏水管道和取樣管座等部件（支管）角焊縫開裂、泄漏甚至斷裂飛出等情況時(shí)有發(fā)生。支管發(fā)生斷裂的根本原因?yàn)槟腹艿恼駝?dòng)[5-6]。研究表明，支管結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及焊接工藝等問題是影響焊縫質(zhì)量的主要因素[7]，支管與母管焊接接頭內(nèi)部存在殘余應(yīng)力、微觀冶金缺陷等因素易導(dǎo)致接頭失效。通過減振裝置、加強(qiáng)管系約束、增大管系剛度等方法在一定程度上降低了振動(dòng)誘發(fā)的支管斷裂脫落[6-9]。但是母管服役環(huán)境決定了其振動(dòng)只能降低不能消除支管焊接接頭斷裂的可能。本研究通過改變支管的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)可有效降低支管的振動(dòng)響應(yīng)，降低接頭處疲勞應(yīng)力水平。

基于此，本文以高溫蒸汽管道/溫度套管為例，建立了3種不同支管結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的溫度套管/母管模型，通過分析焊縫焊趾處應(yīng)力分布與振動(dòng)特征，研究母管相同振動(dòng)條件下支管結(jié)構(gòu)/材質(zhì)對(duì)振動(dòng)、應(yīng)力水平的影響，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材提供理論基礎(chǔ)。

1 高溫蒸汽管道模型

1.1 模型建立

以P91馬氏體耐熱鋼母管為例，母管外徑為Φ550 mm、壁厚為88 mm、長(zhǎng)度為400 mm，支管外徑Φ44 mm、壁厚10 mm，如圖1所示。

圖1 高溫蒸汽管道整體幾何模型與溫度套管結(jié)構(gòu)Fig.1 The integral geometry model and temperature casing structure of the high temperature steam pipe

為提升計(jì)算效率，模型采用軸對(duì)稱形式，取幾何模型1/2進(jìn)行分析。第1種為通孔型套管結(jié)構(gòu)（通孔型結(jié)構(gòu)）（圖1b)），模型由主蒸汽管道、接管座、管接頭、套管4部分組成。第2種為臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)（臺(tái)階型結(jié)構(gòu)）（圖1c)），與通孔型基本相同，區(qū)別在于母管管孔為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，管孔內(nèi)部直徑小，外部直徑大。第3種為結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管（優(yōu)化型結(jié)構(gòu)）（圖1d)），模型由溫度套管接管座、溫度套管、過渡套管組成。3種結(jié)構(gòu)母管材質(zhì)相同，均為P91馬氏體耐熱鋼。第1種、第2種結(jié)構(gòu)管座與母管為P91耐熱鋼的同種鋼連接，管接頭與套管之間為奧氏體耐熱鋼/P91鋼的異種鋼連接。第3種結(jié)構(gòu)支管與母管均為P91耐熱鋼。母管與支管材料屈服強(qiáng)度Rt、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A、彈性模量E、泊松比ν、熱膨脹系數(shù)α性能指標(biāo)見表1。

表1 母管及支管材料性能Tab.1 Material properties of the main pipe and branch pipe

1.2 網(wǎng)格劃分與施加條件

針對(duì)不同部設(shè)定不同網(wǎng)格類型及網(wǎng)格的尺寸，并逐個(gè)進(jìn)行劃分。其中，重點(diǎn)研究部位（焊縫）的網(wǎng)格尺寸小，其他部位的網(wǎng)格尺寸較大，高溫蒸汽管道模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。3種模型施加的約束條件相同：施加軸向?qū)ΨQ約束、X及Y方向約束。載荷類型為壓強(qiáng)（MPa），基于結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境，施加2 min周期變化的內(nèi)壓載荷，最低壓力16 MPa，最高壓力為20 MPa。

圖2 高溫蒸汽管道模型網(wǎng)格劃分示意Fig.2 Mesh generation for the high temperature steam pipe model

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力水平與分布

蒸汽壓力波動(dòng)在16~20 MPa時(shí)，3種套管的等效應(yīng)力波動(dòng)范圍分別為：61~80 MPa，60~74 MPa，36~44 MPa。管道承受20 MPa蒸汽內(nèi)壓時(shí)，套管承受的等效應(yīng)力最高。最高內(nèi)壓作用時(shí)套管的等效應(yīng)力σM分布如圖3所示。由圖3可見：通孔型套管結(jié)構(gòu)焊縫焊趾處最高應(yīng)力為80 MPa。臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)焊縫焊趾處最高等效應(yīng)力為74 MPa。對(duì)比上述結(jié)果可知，母管從通孔結(jié)構(gòu)改為下部有臺(tái)階的變孔結(jié)構(gòu)時(shí)，焊縫焊趾處應(yīng)力水平有一定程度降低，但是降低幅度不明顯。因此，臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫應(yīng)力水平的改善基本可以忽略。與第2種結(jié)構(gòu)相比，第3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管改變了溫度套管的材質(zhì)，套管與接管座之間增加了螺絲加固，焊縫焊趾處的最大等效應(yīng)力降低至44 Mpa。與前2種結(jié)構(gòu)相比，第3種結(jié)構(gòu)最高等效應(yīng)力水平降低超過30 MPa，分別降低了45%與41%。

圖3 母管承受最大壓力時(shí)不同結(jié)構(gòu)套管/母管焊縫處等效應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of equivalent stress in weld seam of casing/bushing with different structures under the maximum pressure

3種結(jié)構(gòu)套管的周向應(yīng)力σz分布如圖4所示。通孔結(jié)構(gòu)焊趾處最大周向應(yīng)力約為71 MPa，母管設(shè)計(jì)臺(tái)階后套管焊趾處最大周向應(yīng)力為66 MPa，二者應(yīng)力水平相當(dāng)。結(jié)構(gòu)與材質(zhì)同時(shí)優(yōu)化后，溫度套管與母管焊縫焊趾處最高周向應(yīng)力約為16 MPa。與前2種套管相比，結(jié)構(gòu)與材質(zhì)優(yōu)化后，溫度套管焊趾處的最大周向應(yīng)力降低了75%以上。

圖4 母管承受最大壓力時(shí)不同結(jié)構(gòu)套管/母管焊縫處周向應(yīng)力分布Fig.4 The circumferential stress distribution at weld of casing/bushing with different structures under the maximum pressure

對(duì)比分析3種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及周向應(yīng)力可知，不同的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)對(duì)焊縫的拘束程度不同，在焊縫中產(chǎn)生的應(yīng)力水平不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管的母管對(duì)二者焊縫的影響較小，應(yīng)力水平最低。本文模擬條件下3種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平均低于100 MPa，低于材料的斷裂強(qiáng)度，但是在周期性壓力載荷、焊縫殘余應(yīng)力與缺陷等因素聯(lián)合作用下套管可能發(fā)生疲勞斷裂。與前2種結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管材質(zhì)與結(jié)構(gòu)變化后，其與母管焊縫發(fā)生疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

為分析3種結(jié)構(gòu)最易發(fā)生開裂的位置，對(duì)3種結(jié)構(gòu)母管與結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管連接焊縫處周向應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。圖5中應(yīng)力的提取角度如圖6所示，圖6中的90°為母管圓周最高點(diǎn)。

圖5 結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫處周向應(yīng)力分布的影響Fig.5 Influence of structure on circumferential stress distribution at weld

圖6 圖5中應(yīng)力提取位置示意Fig.6 Schematic diagram of stress extraction position in Fig.5

由圖5、圖6可見，前2種結(jié)構(gòu)的焊縫焊趾內(nèi)部整體應(yīng)力水平相近，均高于第3種結(jié)構(gòu)。3種結(jié)構(gòu)焊縫處的最高應(yīng)力分布在套管/母管相貫線上母管圓周最高點(diǎn)（圖6中90°位置），且以該處為基點(diǎn)成對(duì)稱分布。因此，在焊接殘余應(yīng)力均布的條件下，整個(gè)套管與母管接觸的焊縫區(qū)域有2處周向應(yīng)力最高，裂紋最易在這2處萌生。

2.2 模態(tài)分析

為闡明母管振動(dòng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)支管的影響，分別取3種結(jié)構(gòu)的一階、二階模態(tài)的固有頻率及焊縫焊趾處的變形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種結(jié)構(gòu)的一階固有頻率與振動(dòng)模態(tài)Fig.7 The first order natural frequency and modal characteristics of weld toe of three casings

對(duì)于通孔型套管、臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)而言，一階振動(dòng)主要集中在套管曝露在空氣中的部分（套管上部），套管與母管焊縫處也產(chǎn)生較大的變形。結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管的一階振動(dòng)變形主要集中于曝露在母管中的端部（套管下部），焊縫處變形量為0。就前2種結(jié)構(gòu)而言，一階振型下空氣中套管頂端的振動(dòng)變形最大，且焊縫振動(dòng)變形也較大。對(duì)于第3種結(jié)構(gòu)，一階振型下曝露在母管中的套管部分振動(dòng)變形最大。因此，3種結(jié)構(gòu)均發(fā)生以套管軸向?yàn)橹行牡恼駝?dòng)變形，且前2種結(jié)構(gòu)套管的整體變形較大，第3種結(jié)構(gòu)的變形主要集中在套管兩端。除材料屬性外，焊縫應(yīng)力受到母管振動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后套管對(duì)母管振動(dòng)的響應(yīng)較低，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化套管與母管連接處的應(yīng)力最低。

綜合分析可知，由于結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的優(yōu)化，在母管相同的振動(dòng)條件下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管對(duì)母管振動(dòng)的響應(yīng)程度較低，造成該套管整體振動(dòng)水平較低。因此，在降低母管自身振動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)與材質(zhì)優(yōu)化可以進(jìn)一步減弱母管振動(dòng)誘發(fā)的焊縫振動(dòng)變形，提升支管焊縫抗振性能。從結(jié)構(gòu)與材質(zhì)方面分析，本文中結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的套管抗振性能最好。

2.3 機(jī)理分析

通孔型和臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)的套管與管座之間為異種鋼焊接，二者的熱物理、力學(xué)性能存在顯著差異。差異化的熱物性能會(huì)導(dǎo)致熱失配應(yīng)力[10-11]。因此，前2種結(jié)構(gòu)中套管與管座結(jié)合區(qū)域（焊趾）會(huì)形成額外的失配應(yīng)力。與前2種結(jié)構(gòu)相比，第3種結(jié)構(gòu)的套管與管座之間為同種鋼焊接，結(jié)構(gòu)不存在額外的失配應(yīng)力。因此，從材料熱物性匹配角度分析，第3種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平最低。

除熱物性能的差異此外，對(duì)于前2種結(jié)構(gòu)，套管與通孔之間采用過盈配合，在運(yùn)行初期，套管的受力點(diǎn)為整個(gè)通孔，此時(shí)焊縫負(fù)載較小。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于奧氏體耐熱鋼熱膨脹系數(shù)大于鐵素體鋼、管孔加工精度、取樣管安裝過程影響等因素，套管和主蒸汽管道管孔逐漸成為過渡配合，此時(shí)套管的受力點(diǎn)集中在異種鋼焊縫，取樣管套管就成為一根懸臂梁，蒸汽的作用下形成的交變應(yīng)力作用于異種鋼焊縫，極易導(dǎo)致焊縫疲勞開裂。結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管（第3種結(jié)構(gòu)）受到管座上部連接焊縫、中部螺紋及下部椎體的3點(diǎn)牢固固定，剛性大。研究表明，剛性大、固定牢固的結(jié)構(gòu)在高壓蒸汽作用下產(chǎn)生的振動(dòng)較小[12-13]。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管振動(dòng)變形最小。從根源上緩解了套管開裂或焊縫開裂的力學(xué)因素，套管的安全性和可靠性得以保障。

電廠運(yùn)行結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管已在30余臺(tái)機(jī)組上安全服役超過8年，目前狀態(tài)完好。因此，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化能降低應(yīng)力水平與減小振動(dòng)，達(dá)到止裂增壽的目的。

3 結(jié) 論

1）在模擬條件下，通孔型套管與臺(tái)階型套管結(jié)構(gòu)焊縫焊趾內(nèi)部整體應(yīng)力水平相近，均高于結(jié)構(gòu)優(yōu)化溫度套管。3種結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均低于100 MPa，低于材料的斷裂強(qiáng)度，在周期性載荷、焊縫殘余應(yīng)力與缺陷等因素聯(lián)合作用下套管極可能發(fā)生疲勞斷裂。但是與前2種結(jié)構(gòu)相比，材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度套管發(fā)生疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

2）3種結(jié)構(gòu)焊縫焊趾的最高應(yīng)力均分布在母管圓周最高點(diǎn)，且應(yīng)力以該處為基點(diǎn)成對(duì)稱分布。因此，整個(gè)套管與母管接觸的焊縫區(qū)域有2處周向應(yīng)力最高，裂紋最易在這2處萌生。

3）結(jié)構(gòu)與材質(zhì)優(yōu)化后溫度套管對(duì)母管振動(dòng)的響應(yīng)較低。因此，結(jié)構(gòu)與材質(zhì)優(yōu)化可以減弱母管振動(dòng)誘發(fā)的焊縫振動(dòng)，提升支管焊縫抗振性能。本文3種結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗振性能最好。